JP2012174397A - Life prediction method of solid polymer fuel cell, and solid polymer fuel cell power generating system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池の寿命予測方法及びそれを使用する固体高分子形燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a life prediction method for a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell power generation system using the same.
固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質を、ガス透過性及び導電性を有する燃料極及び酸化極で挟んで構成されるセルと、導電性を有すると共に水素ガスを含有する燃料ガス及び酸素ガスを含有する酸化ガスを流通させるガス流路をそれぞれ形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックを備え、当該スタックの上記セパレータの上記燃料ガス流路を介して上記セルの上記燃料極に燃料ガスが供給されると共に、当該スタックの上記セパレータの上記酸化ガス流路を介して上記セルの上記酸化極に酸化ガスが供給されることにより、当該燃料ガス中の水素ガスと当該酸化ガス中の酸素ガスとを当該セルで電気化学的に反応させて、水を生成すると共に電力を発生することができるようになっている。 A polymer electrolyte fuel cell is a cell composed of a solid polymer electrolyte having proton conductivity sandwiched between a gas permeable and conductive fuel electrode and an oxidation electrode, and has conductivity and hydrogen gas. A stack in which a plurality of separators each having a gas flow path for circulating a fuel gas and an oxidant gas containing oxygen gas are alternately stacked, and the cell through the fuel gas flow path of the separator of the stack The fuel gas is supplied to the fuel electrode, and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing electrode of the cell via the oxidizing gas flow path of the separator of the stack, whereby hydrogen gas in the fuel gas is supplied. And oxygen gas in the oxidizing gas are electrochemically reacted in the cell to generate water and generate electric power.
このような固体高分子形燃料電池においては、発電運転を行っていくと、前記セルの前記固体高分子電解質に徐々に亀裂等を生じて、比較的高い圧力の燃料極側の燃料ガスが、比較的低い圧力の酸化極側に徐々に漏れ出すことにより（クロスリーク）、発電性能が徐々に低下してしまい、そのまま放置すると、発電運転が不能となってしまう。 In such a polymer electrolyte fuel cell, when the power generation operation is performed, the solid polymer electrolyte of the cell gradually cracks and the fuel gas on the fuel electrode side having a relatively high pressure is By gradually leaking to the oxidation electrode side at a relatively low pressure (cross leak), the power generation performance gradually decreases, and if left as it is, power generation operation becomes impossible.
このため、例えば、下記特許文献１では、スタックの電圧低下を生じた際のクロスリーク量を計測することにより、セルの劣化状況を把握することを提案している。また、下記特許文献２では、開回路電圧（ＯＣＶ）及び定格電圧に基づいてセルの劣化状況を把握して、当該セルの劣化状況に対応して、燃料ガスや酸化ガスの供給量を減少させることにより、劣化の進行を遅延させて寿命の延長を図るようにすることを提案している。 For this reason, for example, the following Patent Document 1 proposes to grasp the deterioration state of the cell by measuring the amount of cross leak when the voltage drop of the stack occurs. Moreover, in the following Patent Document 2, the deterioration state of the cell is grasped based on the open circuit voltage (OCV) and the rated voltage, and the supply amount of the fuel gas and the oxidizing gas is reduced in accordance with the deterioration state of the cell. Therefore, it has been proposed to extend the life by delaying the progress of deterioration.
しかしながら、前記特許文献１に記載されている発明では、現在のセルの劣化状況を把握することしかできないため、発電運転が不能となる時期を把握することができず、適切な時期に保守点検等を行うことが難しくなってしまう。また、前記特許文献２に記載されている発明では、開回路電圧（ＯＣＶ）及び定格電圧に基づいてセルの劣化状況を把握することから、数か月以上の長期間にわたって連続して運転すると、ＯＣＶを計測することができず、劣化状況を把握する間隔が非常に長くなってしまうため、発電運転が不能となる時期の把握を精度よく行うことができず、適切な時期に保守点検等を行うことが難しくなってしまう。 However, in the invention described in Patent Document 1, since it is only possible to grasp the current degradation state of the cell, it is not possible to grasp the time when the power generation operation is disabled, and maintenance check etc. at an appropriate time It becomes difficult to do. In addition, in the invention described in Patent Document 2, since the cell deterioration status is grasped based on the open circuit voltage (OCV) and the rated voltage, when continuously operated over a long period of several months or more, Since the OCV cannot be measured and the interval for grasping the deterioration state becomes very long, it is not possible to accurately grasp the time when the power generation operation becomes impossible, and maintenance and inspection are performed at an appropriate time. It becomes difficult to do.
このようなことから、本発明は、長期間にわたって連続運転していても、発電運転が不能となる時期の把握を精度よく行うことができる固体高分子形燃料電池の寿命予測方法及びそれを使用する固体高分子形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a method for predicting the lifetime of a polymer electrolyte fuel cell capable of accurately grasping the time when power generation operation is impossible even if it is continuously operated for a long period of time, and the use thereof An object of the present invention is to provide a solid polymer fuel cell power generation system.
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池の寿命予測方法は、固体高分子電解質を燃料極及び酸化極で挟んで構成されるセルを複数積層したスタックの当該セルの当該燃料極側に燃料ガスを供給すると共に当該セルの当該酸化極側に酸化ガスを供給して発電運転を行う固体高分子形燃料電池の寿命予測方法であって、前記スタックの前記酸化極側から排出された使用済みの前記酸化ガス中の水素ガス濃度Ｈ１を規定の運転時間Ｔごとに計測し、前記水素ガス濃度Ｈ１に基づいて、前記水素ガスのクロスリーク量Ｑを前記運転時間Ｔごとに算出し、前記クロスリーク量Ｑが基準値Ｑｓ以上となったら、前記運転時間Ｔごとの前記クロスリーク量Ｑから下記の式を満足する定数Ｃを算出し、算出された前記定数Ｃによる下記の式に基づいて、予め設定されている最大許容クロスリーク量Ｑｍとなる最大可能運転時間Ｔｍを求めることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the solid polymer fuel cell life prediction method according to the first invention is a stack in which a plurality of cells configured by sandwiching a solid polymer electrolyte between a fuel electrode and an oxidation electrode are stacked. A method for predicting the lifetime of a polymer electrolyte fuel cell that supplies a fuel gas to the fuel electrode side of the cell and supplies an oxidizing gas to the oxidation electrode side of the cell to perform a power generation operation. The hydrogen gas concentration H1 in the used oxidizing gas discharged from the oxidation electrode side is measured every specified operating time T, and the cross leak amount Q of the hydrogen gas is calculated based on the hydrogen gas concentration H1. When the cross leak amount Q is equal to or greater than the reference value Qs, calculated for each operation time T, a constant C satisfying the following equation is calculated from the cross leak amount Q for each operation time T, and the calculated constant By based on the following equation, and obtaining the maximum possible operating time Tm as a maximum allowable cross leakage amount Qm that is set in advance.
Ｑ＝Ｑ０・ｅｘｐ（ＣＴ）
ただし、Ｑ０は予め求められる初期クロスリーク量である。
Q = Q0 · exp (CT)
However, Q0 is an initial cross leak amount obtained in advance.
第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池の寿命予測方法は、第一番目の発明において、前記水素ガス濃度Ｈ１及び予め求められる前記スタックの内部の前記燃料ガス中の平均水素ガス濃度Ｈ０から、水素ガス濃度差ΔＨを算出して、下記の式に基づいて、前記クロスリーク量Ｑを算出することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for predicting a lifetime of a polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect, wherein the hydrogen gas concentration H1 and the average hydrogen gas concentration H0 in the fuel gas in the stack obtained in advance are determined. Then, a hydrogen gas concentration difference ΔH is calculated, and the cross leak amount Q is calculated based on the following equation.
Ｑ＝（Ｄ／ｔ）×ΔＨ
ただし、Ｄは固体高分子電解質の拡散係数、ｔは固体高分子電解質の厚さである。
Q = (D / t) × ΔH
Where D is the diffusion coefficient of the solid polymer electrolyte, and t is the thickness of the solid polymer electrolyte.
第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池の寿命予測方法は、第一番目又は第二番目の発明において、前記スタックの前記酸化極側から排出される使用済みの前記酸化ガスの流量が基準値Ｆｓであるときに、前記水素ガス濃度Ｈ１を計測することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for predicting a lifetime of a polymer electrolyte fuel cell, wherein the flow rate of the used oxidizing gas discharged from the oxidation electrode side of the stack is the first or second aspect. When the reference value is Fs, the hydrogen gas concentration H1 is measured.
第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池の寿命予測方法は、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記基準値Ｑｓが、前記最大許容クロスリーク量Ｑｍの４〜１０％に対応する大きさであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for predicting a life of a polymer electrolyte fuel cell according to any one of the first to third aspects, wherein the reference value Qs is 4 to 10 of the maximum allowable cross leak amount Qm. It is the size corresponding to%.
また、前述した課題を解決するための、第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質を燃料極及び酸化極で挟んで構成されるセルを複数積層したスタックと、前記スタックの前記セルの前記燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記スタックの前記セルの前記酸化極側に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記スタックの前記酸化極側から排出された使用済みの前記酸化ガスをサンプリングする排酸化ガスサンプリング手段と、前記排酸化ガスサンプリング手段でサンプリングされた前記酸化ガス中の水素ガス濃度Ｈ１を計測する水素ガス濃度計測手段と、前記スタックの前記酸化極側から排出された使用済みの前記酸化ガスを規定の運転時間Ｔごとにサンプリングするように前記排酸化ガスサンプリング手段を制御すると共に、前記水素ガス濃度計測手段で計測された前記水素ガス濃度Ｈ１に基づいて、前記水素ガスのクロスリーク量Ｑを前記運転時間Ｔごとに算出し、前記クロスリーク量Ｑが基準値Ｑｓ以上となったら、前記運転時間Ｔごとの前記クロスリーク量Ｑから下記の式を満足する定数Ｃを算出し、算出された前記定数Ｃによる下記の式に基づいて、予め設定されている最大許容クロスリーク量Ｑｍとなる最大可能運転時間Ｔｍを求める演算制御手段とを備えていることを特徴とする。 In addition, a solid polymer fuel cell power generation system according to the fifth invention for solving the above-mentioned problem is a stack in which a plurality of cells each composed of a solid polymer electrolyte sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode are stacked. A solid-state fuel gas supply means for supplying a fuel gas to the fuel electrode side of the cell of the stack; and an oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the oxidation electrode side of the cell of the stack. In the polymer fuel cell power generation system, exhaust oxidation gas sampling means for sampling the used oxidation gas discharged from the oxidation electrode side of the stack, and in the oxidation gas sampled by the exhaust oxidation gas sampling means Hydrogen gas concentration measuring means for measuring the hydrogen gas concentration H1 of the stack, and the used oxidizing gas discharged from the oxidation electrode side of the stack The exhaust gas sampling means is controlled so as to sample every specified operating time T, and the cross leak amount Q of the hydrogen gas is calculated based on the hydrogen gas concentration H1 measured by the hydrogen gas concentration measuring means. Calculated for each operation time T, and when the cross leak amount Q is equal to or greater than a reference value Qs, a constant C satisfying the following equation is calculated from the cross leak amount Q for each operation time T and calculated. Computation control means for obtaining a maximum possible operation time Tm that becomes a preset maximum allowable cross leak amount Qm based on the following equation based on the constant C is provided.
Ｑ＝Ｑ０・ｅｘｐ（ＣＴ）
ただし、Ｑ０は予め求められる初期クロスリーク量である。
Q = Q0 · exp (CT)
However, Q0 is an initial cross leak amount obtained in advance.
第六番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第五番目の発明において、前記演算制御手段が、前記水素ガス濃度Ｈ１及び予め求められる前記スタックの内部の前記燃料ガス中の平均水素ガス濃度Ｈ０から、水素ガス濃度差ΔＨを算出して、下記の式に基づいて、前記クロスリーク量Ｑを算出するものであることを特徴とする。 The polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a sixth aspect of the present invention is the fifth aspect of the invention, wherein the arithmetic control means is configured to determine the hydrogen gas concentration H1 and the average of the fuel gas in the stack determined in advance. A hydrogen gas concentration difference ΔH is calculated from the hydrogen gas concentration H0, and the cross leak amount Q is calculated based on the following equation.
Ｑ＝（Ｄ／ｔ）×ΔＨ
ただし、Ｄは固体高分子電解質の拡散係数、ｔは固体高分子電解質の厚さである。
Q = (D / t) × ΔH
Where D is the diffusion coefficient of the solid polymer electrolyte, and t is the thickness of the solid polymer electrolyte.
第七番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第五番目又は第六番目の発明において、前記スタックの前記酸化極側から排出される使用済みの前記酸化ガスの流量を求める排酸化ガス流量計測手段を備え、前記演算制御手段が、前記排酸化ガス流量計測手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流量が基準値Ｆｓであるときに、前記水素ガス濃度Ｈ１を計測するように前記排酸化ガスサンプリング手段を制御するものであることを特徴とする。 A polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a seventh aspect of the present invention is the exhaust system for determining the flow rate of the used oxidizing gas discharged from the oxidation electrode side of the stack in the fifth or sixth aspect. An oxidant gas flow rate measuring unit is provided, and the calculation control unit measures the hydrogen gas concentration H1 when the flow rate of the oxidant gas is a reference value Fs based on information from the exhaust oxidant gas flow rate measuring unit. Thus, the exhaust gas sampling means is controlled.
第八番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第七番目の発明において、前記排酸化ガス流量計測手段が、前記スタックから外部負荷への電流量を計測する電流量計測手段であることを特徴とする。 A polymer electrolyte fuel cell power generation system according to an eighth invention is the seventh invention, wherein the exhaust gas flow rate measuring means is a current quantity measuring means for measuring a current quantity from the stack to an external load. It is characterized by being.
第九番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第五番目から第八番目の発明のいずれかにおいて、前記演算制御手段で算出された結果に基づく情報を表示する表示手段を備えていることを特徴とする。 A polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a ninth invention comprises a display means for displaying information based on a result calculated by the arithmetic control means in any of the fifth to eighth inventions. It is characterized by.
本発明によれば、スタックから排出された使用済みの酸化ガス中の水素ガス濃度Ｈ１に基づいてクロスリーク量Ｑを規定の運転時間Ｔごとに算出してセルの劣化状況を把握すると共に、当該クロスリーク量Ｑの運転時間Ｔごとの変化量から余寿命を予測することができるので、連続運転中であっても、セルの劣化状況を把握することができると共に、余寿命を精度よく予測することができる。 According to the present invention, based on the hydrogen gas concentration H1 in the used oxidizing gas discharged from the stack, the cross leak amount Q is calculated for each specified operating time T to grasp the deterioration state of the cell, and Since the remaining life can be predicted from the amount of change of the cross leak amount Q for each operation time T, the deterioration state of the cell can be grasped even during continuous operation, and the remaining life can be accurately predicted. be able to.
本発明に係る固体高分子形燃料電池の寿命予測方法及びそれを使用する固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。 An embodiment of a solid polymer fuel cell life prediction method and a polymer electrolyte fuel cell power generation system using the same according to the present invention will be described based on the drawings. The present invention will be described below based on the drawings. It is not limited only to the embodiment.
［主な実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池の寿命予測方法及びそれを使用する固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態を図１及び図２Ａ〜２Ｃに基づいて説明する。
[Main embodiments]
A main embodiment of a solid polymer fuel cell life prediction method and a polymer electrolyte fuel cell power generation system using the same according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2A to 2C.
図１に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質を、ガス透過性及び導電性を有する燃料極及び酸化極で挟んで構成されるセルと、導電性を有すると共に燃料ガス１及び酸化ガス２をそれぞれ流通させる各ガス流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池のスタック１１０の燃料ガス受入口には、水素ガスを含有する燃料ガス１を供給する燃料ガス供給手段である燃料ガス供給源１２０が燃料ガス送給ライン１２１を介して接続されている。前記スタック１１０の酸化ガス受入口には、酸素ガスを含有する酸化ガス２を供給する酸化ガス供給手段である酸化ガス供給源１３０が酸化ガス送給ライン１３１を介して接続されている。
As shown in FIG. 1, a cell composed of a solid polymer electrolyte having proton conductivity sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode having gas permeability and conductivity, a fuel gas 1 and an oxidation material having conductivity. Fuel gas 1 containing hydrogen gas is supplied to a fuel gas inlet of a
前記スタック１１０の燃料ガス排出口には、当該スタック１１０の内部で発電反応に供された使用済みの燃料ガス１ａを当該スタック１１０の外部へ排出する燃料ガス排出ライン１２２が接続されている。前記スタック１１０の酸化ガス排出口には、当該スタック１１０の内部で発電反応に供された使用済みの酸化ガス２ａを当該スタック１１０の外部へ排出する酸化ガス排出ライン１３２が接続されている。
A fuel
前記酸化ガス排出ライン１３２の途中には、当該ライン１３２中を流通する使用済みの前記酸化ガス２ａの一部をサンプリングするサンプリングライン１４１の一端側が接続されている。前記サンプリングライン１４１の他端側は、前記酸化ガス２ａ中の水素ガスの濃度を計測する水素ガス濃度計測手段であるガスクロマトグラフ等の水素ガス濃度検出装置１４３のガス受入口に接続されている。前記サンプリングライン１４１の途中には、バルブ１４２が設けられている。
In the middle of the oxidizing
前記スタック１１０は、各種の電気機器からなる外部負荷Ｌに給電できるように電気的に接続されている。前記スタック１１０と前記外部負荷Ｌとの電気的な接続ラインには、当該スタック１１０から当該外部負荷Ｌへの電流量を計測する電流量計測手段である電流計１４４が設けられている。
The
前記水素ガス濃度検出装置１４３及び前記電流計１４４は、図示しないタイマを内蔵する演算制御手段である演算制御装置１４５の入力部に電気的に接続されている。前記演算制御装置１４５の出力部は、前記バルブ１４２に電気的に接続されると共に、表示手段である表示装置１４６に電気的に接続されており、当該演算制御装置１４５は、前記電流計１４４及び前記タイマからの情報に基づいて、前記バルブ１４２の開閉作動を制御し、前記水素ガス濃度検出装置１４３からの情報に基づいて、各種演算処理を行って、その結果に基づいて、前記表示装置１４６に各種情報を表示することができるようになっている（詳細は後述する）。
The hydrogen gas
なお、本実施形態においては、前記サンプリングライン１４１、前記バルブ１４２等により排酸化ガスサンプリング手段を構成している。
In this embodiment, exhaust gas sampling means is constituted by the sampling line 141, the
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の作動を次に説明する。
Next, the operation of the polymer electrolyte fuel cell
前記燃料ガス供給源１２０から前記燃料ガス送給ライン１２１を介して前記スタック１１０の内部に燃料ガス１を送給すると共に、前記酸化ガス供給源１３０から前記酸化ガス送給ライン１３１を介して前記スタック１１０の内部に酸化ガス２を送給すると、前記燃料ガス１が当該スタック１１０の前記セルの前記燃料極側へ供給されると共に、前記酸化ガス２が当該スタック１１０の前記セルの前記酸化極側へ供給され、当該燃料ガス１中の水素ガス及び当該酸化ガス２中の酸素ガスが当該セルにおいて電気化学的に反応することにより、水が発生すると共に、電力が発生して当該スタック１１０から前記外部負荷Ｌに供給される。
The fuel gas 1 is supplied from the fuel
前記スタック１１０の内部で上述の発電反応に供されなかった使用済みの燃料ガス１ａ及び酸化ガス２ａは、生成した水と共に前記排出ライン１２２，１３２を介して当該スタック１１０の外部へ排出される。
The spent fuel gas 1a and the oxidizing
このとき、前記演算制御装置１４５は、前記電流計１４４からの情報に基づいて、前記スタック１１０から前記外部負荷Ｌへの電流の有無、すなわち、前記スタック１１０の運転の有無を検知し、前記タイマからの情報に基づいて、当該スタック１１０の運転時間を累計して記録する。
At this time, the arithmetic and control unit 145 detects the presence or absence of current from the
このような発電運転を行って、前記スタック１１０が予め定められた規定の運転時間Ｔに達すると、前記演算制御装置１４５は、前記電流計１４４からの情報に基づいて、当該スタック１１０から前記外部負荷Ｌへの電流量が基準値Ａｓ（例えば、定格電流値）になっているとき（通常、一日に数回はある）、言い換えれば、当該スタック１１０から排出される使用済みの前記酸化ガス２ａの流量が基準値Ｆｓになっているときに、当該スタック１１０の内部から排出されて前記酸化ガス排出ライン１３２を流通する使用済みの前記酸化ガス２ａの一部を前記サンプリングライン１４１に分取してサンプリングするように前記バルブ１４２を開閉制御する。
When such a power generation operation is performed and the
そして、前記スタック１１０から排出される使用済みの前記酸化ガス２ａの流量が基準値Ｆｓになっているときにサンプリングライン１４１にサンプリングされた当該酸化ガス２ａ中の水素ガス濃度Ｈ１を前記水素ガス濃度検出装置１４２が計測すると、前記演算制御装置１４５は、当該水素ガス濃度検出装置１４３からの情報である上記水素ガス濃度Ｈ１及び予め算出されている前記スタック１１０の内部での前記燃料ガス１中の平均水素ガス濃度Ｈ０から、水素ガス濃度差ΔＨを算出し、下記の式（１）に基づいて、クロスリーク量Ｑを算出して、当該サンプリング時の前記運転時間Ｔと共に記録する。
Then, the hydrogen gas concentration H1 in the oxidizing
Ｑ＝（Ｄ／ｔ）×ΔＨ ・・・（１）
ただし、Ｄは固体高分子電解質の拡散係数、ｔは固体高分子電解質の厚さである。
Q = (D / t) × ΔH (1)
Where D is the diffusion coefficient of the solid polymer electrolyte, and t is the thickness of the solid polymer electrolyte.
このように規定の運転時間Ｔごとに前記クロスリーク量Ｑを算出して記録していき、当該クロスリーク量Ｑが基準値Ｑｓ（例えば、最大許容クロスリーク量Ｑｍに対して４〜１０％程度）に達すると（図２Ａ参照）、前記演算制御装置１４５は、今までに記録した前記クロスリーク量Ｑ及び前記運転時間Ｔから、下記の式（２）を満足する定数Ｃを最小二乗法等により算出して決定する。 In this way, the cross leak amount Q is calculated and recorded at every specified operation time T, and the cross leak amount Q is about 4 to 10% with respect to a reference value Qs (for example, the maximum allowable cross leak amount Qm). ) (See FIG. 2A), the arithmetic and control unit 145 calculates a constant C satisfying the following formula (2) from the cross leak amount Q and the operation time T recorded so far, such as a least square method. Is calculated and determined.
Ｑ＝Ｑ０・ｅｘｐ（ＣＴ） ・・・（２）
ただし、Ｑ０は予め求められる初期クロスリーク量である。
Q = Q0 · exp (CT) (2)
However, Q0 is an initial cross leak amount obtained in advance.
続いて、前記演算制御装置１４５は、決定された前記定数Ｃによる前記式（２）に基づいて、予め設定されている最大許容クロスリーク量Ｑｍとなる最大可能運転時間Ｔｍを求め（図２Ｂ参照）、その結果に基づいて、残余の可能運転時間Ｔｅ（＝Ｔｍ−Ｔ）を算出して、前記表示装置１４６に表示させる。 Subsequently, the arithmetic and control unit 145 obtains a maximum possible operation time Tm that is a preset maximum allowable cross leak amount Qm based on the equation (2) based on the determined constant C (see FIG. 2B). ) Based on the result, the remaining possible operation time Te (= Tm−T) is calculated and displayed on the display device 146.
そして、前記演算制御装置１４５は、上述した運転時間Ｔごとのクロスリーク量Ｑの算出を引き続き行うことにより（図２Ｃ参照）、前記定数Ｃを新たに算出し直して、前記式（２）を逐次更新し、より正確な残余の可能運転時間Ｔｅを算出する。 Then, the arithmetic control device 145 continues to calculate the cross leak amount Q for each operation time T described above (see FIG. 2C), thereby recalculating the constant C, and calculating the equation (2). It updates sequentially and calculates more accurate remaining possible operation time Te.
つまり、本発明者らは、鋭意研究を行った結果、前記クロスリーク量Ｑと前記運転時間Ｔとの間に上記式（１），（２）で表される関係があることを新たに知見して、本発明を完成するに至ったのである。 That is, as a result of intensive studies, the inventors have newly found that there is a relationship represented by the above formulas (1) and (2) between the cross leak amount Q and the operation time T. Thus, the present invention has been completed.
このような知見に基づいてなされた本実施形態においては、前記スタック１１０から排出された使用済みの前記酸化ガス２ａ中の水素ガス濃度Ｈ１に基づいて前記クロスリーク量Ｑを規定の前記運転時間Ｔごとに算出して前記セルの劣化状況を把握すると共に、当該クロスリーク量Ｑの前記運転時間Ｔごとの変化量から余寿命を予測できるようにしたので、連続運転中であっても、前記セルの劣化状況を把握することができると共に、余寿命を精度よく予測することができる。
In the present embodiment made based on such knowledge, the operating time T in which the cross leak amount Q is defined based on the hydrogen gas concentration H1 in the used oxidizing
したがって、本実施形態によれば、長期間（例えば、数か月間）にわたって連続運転していても、発電運転が不能となる時期の把握を精度よく行うことができるので、適切な時期に保守点検等を行うことが容易にできる。 Therefore, according to the present embodiment, even when continuously operating for a long period (for example, several months), it is possible to accurately grasp the time when the power generation operation becomes impossible, so that maintenance inspection is performed at an appropriate time. Etc. can be easily performed.
なお、前記基準値Ｑｓは、前記最大許容クロスリーク量Ｑｍに対して４〜１０％であると好ましく、特に、８〜１０％であるとさらに好ましい。なぜなら、前記基準値Ｑｓが、前記最大許容クロスリーク量Ｑｍに対して４％未満であると、前記定数Ｃの算出精度が低くなりやすく、前記最大許容クロスリーク量Ｑｍに対して１０％を超えると、予測された残余の可能運転時間Ｔｅが短くなり、保守点検等を行う時期までのゆとりがなくなってしまうからである。 The reference value Qs is preferably 4 to 10%, more preferably 8 to 10% with respect to the maximum allowable cross leak amount Qm. This is because if the reference value Qs is less than 4% with respect to the maximum allowable cross leak amount Qm, the calculation accuracy of the constant C tends to be low, and exceeds 10% with respect to the maximum allowable cross leak amount Qm. This is because the predicted remaining possible operation time Te is shortened, and there is no room for the maintenance inspection or the like.
また、前記燃料ガス１としては、灯油やガソリン等の液体炭化水素原料や天然ガスやプロパンガス等の気体炭化水素原料等のような炭化水素原料を改質反応処理することにより、水素ガスを含有させた改質ガスや、水素ガスそのもの等を挙げることができる。また、前記酸化ガス２としては、空気や、酸素ガスそのもの等を挙げることができる。 In addition, the fuel gas 1 contains hydrogen gas by reforming a hydrocarbon raw material such as a liquid hydrocarbon raw material such as kerosene or gasoline, or a gaseous hydrocarbon raw material such as natural gas or propane gas. And the reformed gas, hydrogen gas itself, and the like. Examples of the oxidizing gas 2 include air and oxygen gas itself.
ここで、前記燃料ガス１として水素ガスそのものを利用する場合や、前記酸化ガス２として酸素ガスそのものを利用する場合には、前記スタック１１０から排出される使用済みの前記ガス１ａ，２ａを再利用できるように、前記ガス供給源１２０，１３０から供給された新たな前記ガス１，２と共に前記スタック１１０に改めて供給する循環ブロア等のような循環利用手段を備えると好ましい。
Here, when the hydrogen gas itself is used as the fuel gas 1 or the oxygen gas itself is used as the oxidizing gas 2, the used
［他の実施形態］
また、前述した実施形態においては、前記電流計１４４で前記スタック１１０から前記外部負荷Ｌへの電流量を計測することにより、前記スタック１１０から排出される使用済みの前記酸化ガス２ａの流量が基準値Ｆｓになっているか否かを知見する排酸化ガス流量計測手段を構成するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記酸化ガス排出ライン１３２に流量計を設けることにより、前記スタック１１０から排出される使用済みの前記酸化ガス２ａの流量が基準値Ｆｓになっているか否かを知見する排酸化ガス流量計測手段を構成することも可能である。
[Other Embodiments]
Further, in the above-described embodiment, the current amount from the
本発明に係る固体高分子形燃料電池の寿命予測方法及びそれを使用する固体高分子形燃料電池発電システムは、連続運転中であっても、セルの劣化状況を把握することができると共に、余寿命を精度よく予測することができるので、各種産業において極めて有益に利用することができる。 The polymer electrolyte fuel cell lifetime prediction method and the polymer electrolyte fuel cell power generation system using the same according to the present invention can grasp the cell deterioration status even during continuous operation, Since the lifetime can be predicted with high accuracy, it can be used extremely beneficially in various industries.
１，１ａ 燃料ガス
２，２ａ 酸化ガス
１００ 固体高分子形燃料電池発電システム
１１０ スタック
１２０ 燃料ガス供給源
１２１ 燃料ガス送給ライン
１２２ 燃料ガス排出ライン
１３０ 酸化ガス供給源
１３１ 酸化ガス送給ライン
１３２ 酸化ガス排出ライン
１４１ サンプリングライン
１４２ バルブ
１４３ 水素ガス濃度検出装置
１４４ 電流計
１４５ 演算制御装置
１４６ 表示装置
Ｌ 外部負荷
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,
Claims (9)
前記スタックの前記酸化極側から排出された使用済みの前記酸化ガス中の水素ガス濃度Ｈ１を規定の運転時間Ｔごとに計測し、
前記水素ガス濃度Ｈ１に基づいて、前記水素ガスのクロスリーク量Ｑを前記運転時間Ｔごとに算出し、
前記クロスリーク量Ｑが基準値Ｑｓ以上となったら、前記運転時間Ｔごとの前記クロスリーク量Ｑから下記の式を満足する定数Ｃを算出し、
算出された前記定数Ｃによる下記の式に基づいて、予め設定されている最大許容クロスリーク量Ｑｍとなる最大可能運転時間Ｔｍを求める
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池の寿命予測方法。
Ｑ＝Ｑ０・ｅｘｐ（ＣＴ）
ただし、Ｑ０は予め求められる初期クロスリーク量である。 A fuel gas is supplied to the fuel electrode side of the cell of a stack in which a plurality of cells each composed of a solid polymer electrolyte sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode are stacked, and an oxidizing gas is supplied to the oxidation electrode side of the cell. A method for predicting the life of a polymer electrolyte fuel cell that performs power generation operation,
Measure the hydrogen gas concentration H1 in the used oxidizing gas discharged from the oxidation electrode side of the stack every specified operating time T,
Based on the hydrogen gas concentration H1, the cross leak amount Q of the hydrogen gas is calculated for each operation time T,
When the cross leak amount Q is equal to or greater than a reference value Qs, a constant C satisfying the following equation is calculated from the cross leak amount Q for each operation time T,
A method for predicting a life of a polymer electrolyte fuel cell, comprising: obtaining a maximum possible operation time Tm that is a preset maximum allowable cross leak amount Qm based on the following formula using the calculated constant C:
Q = Q0 · exp (CT)
However, Q0 is an initial cross leak amount obtained in advance.
前記水素ガス濃度Ｈ１及び予め求められる前記スタックの内部の前記燃料ガス中の平均水素ガス濃度Ｈ０から、水素ガス濃度差ΔＨを算出して、
下記の式に基づいて、前記クロスリーク量Ｑを算出する
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池の寿命予測方法。
Ｑ＝（Ｄ／ｔ）×ΔＨ
ただし、Ｄは固体高分子電解質の拡散係数、ｔは固体高分子電解質の厚さである。 The method for predicting the life of a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1,
A hydrogen gas concentration difference ΔH is calculated from the hydrogen gas concentration H1 and an average hydrogen gas concentration H0 in the fuel gas inside the stack obtained in advance.
The method for predicting the lifetime of a polymer electrolyte fuel cell, wherein the cross leak amount Q is calculated based on the following equation.
Q = (D / t) × ΔH
Where D is the diffusion coefficient of the solid polymer electrolyte, and t is the thickness of the solid polymer electrolyte.
前記スタックの前記酸化極側から排出される使用済みの前記酸化ガスの流量が基準値Ｆｓであるときに、前記水素ガス濃度Ｈ１を計測する
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池の寿命予測方法。 In the life prediction method of the polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2,
Life prediction of a polymer electrolyte fuel cell characterized by measuring the hydrogen gas concentration H1 when the flow rate of the used oxidizing gas discharged from the oxidation electrode side of the stack is a reference value Fs Method.
前記基準値Ｑｓが、前記最大許容クロスリーク量Ｑｍの４〜１０％に対応する大きさである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池の寿命予測方法。 In the lifetime prediction method of the polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The reference value Qs is a magnitude corresponding to 4 to 10% of the maximum allowable cross leak amount Qm. A method for predicting a life of a polymer electrolyte fuel cell, wherein:
前記スタックの前記セルの前記燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記スタックの前記セルの前記酸化極側に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記スタックの前記酸化極側から排出された使用済みの前記酸化ガスをサンプリングする排酸化ガスサンプリング手段と、
前記排酸化ガスサンプリング手段でサンプリングされた前記酸化ガス中の水素ガス濃度Ｈ１を計測する水素ガス濃度計測手段と、
前記スタックの前記酸化極側から排出された使用済みの前記酸化ガスを規定の運転時間Ｔごとにサンプリングするように前記排酸化ガスサンプリング手段を制御すると共に、前記水素ガス濃度計測手段で計測された前記水素ガス濃度Ｈ１に基づいて、前記水素ガスのクロスリーク量Ｑを前記運転時間Ｔごとに算出し、前記クロスリーク量Ｑが基準値Ｑｓ以上となったら、前記運転時間Ｔごとの前記クロスリーク量Ｑから下記の式を満足する定数Ｃを算出し、算出された前記定数Ｃによる下記の式に基づいて、予め設定されている最大許容クロスリーク量Ｑｍとなる最大可能運転時間Ｔｍを求める演算制御手段と
を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
Ｑ＝Ｑ０・ｅｘｐ（ＣＴ）
ただし、Ｑ０は予め求められる初期クロスリーク量である。 A stack in which a plurality of cells composed of a solid polymer electrolyte sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode are stacked;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode side of the cell of the stack;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode side of the cell of the stack;
Exhaust gas sampling means for sampling the used oxidizing gas discharged from the oxidation electrode side of the stack;
Hydrogen gas concentration measuring means for measuring the hydrogen gas concentration H1 in the oxidizing gas sampled by the exhaust oxidant gas sampling means;
The exhaust oxidizing gas sampling means is controlled so as to sample the used oxidizing gas discharged from the oxidation electrode side of the stack every specified operating time T, and measured by the hydrogen gas concentration measuring means. Based on the hydrogen gas concentration H1, the cross leak amount Q of the hydrogen gas is calculated for each operation time T, and when the cross leak amount Q is equal to or greater than a reference value Qs, the cross leak for each operation time T is calculated. An operation for calculating a constant C satisfying the following equation from the amount Q, and obtaining a maximum possible operation time Tm that is a preset maximum allowable cross leak amount Qm based on the following equation based on the calculated constant C: And a solid state polymer fuel cell power generation system.
Q = Q0 · exp (CT)
However, Q0 is an initial cross leak amount obtained in advance.
前記演算制御手段が、前記水素ガス濃度Ｈ１及び予め求められる前記スタックの内部の前記燃料ガス中の平均水素ガス濃度Ｈ０から、水素ガス濃度差ΔＨを算出して、下記の式に基づいて、前記クロスリーク量Ｑを算出するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
Ｑ＝（Ｄ／ｔ）×ΔＨ
ただし、Ｄは固体高分子電解質の拡散係数、ｔは固体高分子電解質の厚さである。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to claim 5,
The calculation control means calculates a hydrogen gas concentration difference ΔH from the hydrogen gas concentration H1 and an average hydrogen gas concentration H0 in the fuel gas in the stack obtained in advance, and based on the following formula, A solid polymer fuel cell power generation system characterized by calculating a cross leak amount Q.
Q = (D / t) × ΔH
Where D is the diffusion coefficient of the solid polymer electrolyte, and t is the thickness of the solid polymer electrolyte.
前記スタックの前記酸化極側から排出される使用済みの前記酸化ガスの流量を求める排酸化ガス流量計測手段を備え、
前記演算制御手段が、前記排酸化ガス流量計測手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流量が基準値Ｆｓであるときに、前記水素ガス濃度Ｈ１を計測するように前記排酸化ガスサンプリング手段を制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to claim 5 or 6,
An exhaust gas flow rate measuring means for obtaining a flow rate of the used oxidizing gas discharged from the oxidation electrode side of the stack;
Based on the information from the exhaust oxidant gas flow rate measuring unit, the exhaust gas sampling unit is configured to measure the hydrogen gas concentration H1 when the flow rate of the oxidant gas is a reference value Fs. A polymer electrolyte fuel cell power generation system characterized in that the system is controlled.
前記排酸化ガス流量計測手段が、前記スタックから外部負荷への電流量を計測する電流量計測手段である
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to claim 7,
The solid oxide fuel cell power generation system, wherein the exhaust gas flow rate measuring means is current amount measuring means for measuring a current amount from the stack to an external load.
前記演算制御手段で算出された結果に基づく情報を表示する表示手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of claims 5 to 8,
A solid polymer fuel cell power generation system comprising display means for displaying information based on the result calculated by the arithmetic control means.
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